接地棒的接地電阻與有效長度的計算

上海城投水務集團制水分公司 王星楠

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接地棒的接地電阻與有效長度的計算

上海城投水務集團制水分公司 王星楠

【摘要】接地電阻的性能好壞將直接影響電力系統的穩定運行以及設備、人身安全。對接地電阻的準確測量對于保護電力系統中的設備和人身安全具有重要的意義。文章首先對工頻接地電阻的常用測量方法以及計算方法進行了介紹，還對沖擊接地電阻進行介紹并針對國標中對沖擊接地電阻以及有效長度的定義存在的問題和偏差進行了分析。文章利用計算公式，考慮了雷電流入地時產生的火花效應以及電感效應的影響，以人工垂直接地極為例，根據計算結果模擬出影響沖擊接地電阻的各類因素與沖擊接地電阻的關系，對沖擊電阻的特性進行了分析。

【關鍵詞】防雷；接地；沖擊接地電阻；火花效應

1 引言

雷電是一種強烈的大氣放電現象，自古以來就是威脅人類生命財產的一大自然災害。每年我國會有上萬人因雷擊事故而傷亡，并給國家和個人造成巨大的財產和經濟損失。

本文旨在通過人工垂直接地極接地電阻的計算公式和人工接地極的沖擊系數，得出影響沖擊接地電阻各種因子之間的關系，并利用兩個不同的換算公式，對計算模擬出的圖形進行比較分析，使對沖擊接地電阻有一個較全面的認識，這對指導防雷接地檢測和防雷接地工程實踐具有重要的意義。

2 接地系統及其概念

全國雷電防護標準化技術委員會制訂《信息系統雷電防護術語》國家標準對接地電阻采用的定義是：“接地極與電位為零的遠方接地極之間的歐姆定律電阻”，它實質上就是接地電流在土壤中散流時土壤所呈現的電阻［1］。它包括接地線和接地體本身的電阻、接地體與大地之間的接觸電阻以及接地體與電位為零的遠方接地體之間土壤的電阻。通常情況下，由于后者電阻比前三部分電阻大的多，所以接地電阻主要指兩個相隔很遠的接地體之間土壤的電阻。有時為了計算方便，同時又能保證工程所需精度，可以認為電流從接地體流向無限遠處。一般的，接地電流 I 流入接地電極，接地電極的電位比接地電流流入前升高U，把 U/I 定義為接地電極的接地電阻。［2］

3 接地電阻的計算

3.1 工頻接地電阻的計算

根據GB50065—200X交流電氣裝置的接地設計規范對垂直接地極的工頻接地電阻的規定，可利用下式計算，當l＞＞d時：

式中：

Rg——垂直接地極的接地電阻，Ω；

l ——垂直接地極的長度，m；

通過分析以及計算公式可以明顯的發現，土壤電阻率與工頻接地電阻的阻值呈正比，土壤電阻率越高，則接地體得電阻也會變得越大，那么在高土壤電阻率的土壤環境下，我們如何去確保接地電阻的阻值達到規定范圍呢？答案是人工改造。對于高土壤電阻率的改造，有如下幾種方法：

1）深埋法：適用于接地電阻隨接地體埋在地下的深度增加而減小的土層，如含砂土壤區。不足點就是施工較麻煩。

2）深井接地法：使用鉆機鉆孔，將鋼管埋入井內后，再向管內和井內注入泥漿后。此法適用于深埋法都達不到接地電阻要求的土壤，由于避雷接地體受有效長度限制，一般不用此法作避雷接地。

3）外引接地法：利用接地裝置附近有導電良好（電阻率較小）的土壤，采用外引接地。

3.2 沖擊接地電阻的計算

沖擊電流或雷電流通過接地體流向大地時，接地體呈現的電阻叫沖擊接地電阻，沖擊接地電阻與工頻接地電阻不同，其主要原因是沖擊電流的幅值可能很大，會引起土壤放電，而且沖擊電流的等效頻率又比工頻高得多，當沖擊電流進入接地體時，會引起一系列復雜的過渡過程，每有一瞬間接地體呈現的有效電阻值都有可能有所不同，而且接地體上最大電壓出現的時刻不一定就是電流最大的時刻。

為了使沖擊接地電阻Rch有一明確的定義，通常令：

由于Um和Rch出現的時刻可能不同，所以Rch并無實際上的物理意義（因電感作用，沖擊電壓幅值Um一般出現在電流幅值Im之前），但是這一定義在工程上使用很方便，因為我們感興趣的是在一定的Im下接地體上的最大電壓Um是多少，而這在Rch已知的條件下馬上可以算出來。很明顯，這樣的公式以及算法是有缺陷的即便是通過換算系數換算出了沖擊接地電阻，由于公式本身的缺陷，也存在較大誤差，因此檢測報告中關于接地電阻數據的可靠性值得斟酌。

3.3 沖擊接地電阻的計算以及與各因素之間的關系

通過3.2的分析，我們取工程中常用的角鋼作為垂直接地極角鋼的截面尺寸：50mm×50mm×5mm可得到：

根據式3，下面通過計算來分析各因素對沖擊接地電阻的影響情況。

隨著土壤電阻率的增加，沖擊系數變小。當土壤電阻小于500Ω·m時，土壤良好，在這個范圍內，隨著土壤電阻率的增加，沖擊系數減小很快，土壤電阻率大于500Ω·m 時，沖擊系數趨于穩定。綜合公式，比較工頻接地電阻與沖擊接地電阻的阻值，如圖1所示。

圖1 不同土壤電阻率下工頻接地電阻與沖擊接地電阻阻值的比較

根據圖1可知，工頻接地電阻隨著土壤電阻率的增加呈線性變化，而沖擊接地電阻，在土壤電阻率較小時，沖擊電阻隨電阻率的增加而增加的速度快于工頻接地電阻增加的速度，因此沖擊系數大于1，但土壤電阻率較大時，則沖擊接地電阻變化速度減慢，此時沖擊系數小于1。

3.4 有效長度計算

沖擊電流幅值越大，有效長度越小，這是因為接地極在沖擊電流作用下，如果沖擊電流的波頭時間不變，則沖擊電流幅值越大，接地極的電感作用就越大，則有效長度就越小［8］。另外土壤電阻率越大，則接地極的有效長度就越長，這是因為土壤電阻率越大，就越阻礙接地極從靠近入地端向土壤中散流，沖擊電流只能流向接地極末端，這樣就增大了接地極的有效長度。有效長度的增加直接體現在沖擊接地電阻變大。根據影響接地極有效長度的因素，普通垂直接地極的有效長度可以定義如下：

那么根據兩式我們分別進行計算并比較，可以得到結果：由式4計算出的有效長度隨著土壤電阻率的增大，其值遠大于式5計算出的有效長度。這就意味著，式5沒有考慮火花效應，要達到同樣的沖擊接地電阻值，將比式4采用更多的接地材料。

3.5 計算結果與數據分析

分析前幾節的數據，圖表和一些結論，可以知道：

1）接地體尺寸對于沖擊接地電阻有明顯影響，沖擊接地電阻隨接地體尺寸的變大而減小，且接地體尺寸越大，沖擊接地電阻隨電流幅值變化率增大；

2）不同土壤電阻率以及接地體尺寸條件下，沖擊接地電阻隨沖擊電流幅值增大的呈現出相似的規律：急劇下降-變化率降低-逐漸平穩；

3）在同一接地體結構尺寸下，沖擊接地電阻隨土壤電阻率變化很大，且土壤電阻率越大，沖擊接地電阻隨電流幅值變化率越大；

4）考慮火花效應，通過公式得到的沖擊接地電阻值同不考慮火花效應相比差別非常大，并且沖擊接地電阻不再近似為一個常數，而是隨注入電流的幅值變化而變化，呈現出明顯的非線性。

防雷是一個永久話題，仍在不斷發展中。防雷技術還有許多待探索的東西，目前雷云起電的機理還不清楚，雷電感應的定量研究也很薄弱，因此防雷接地也在發展中，一些防雷接地領域所聲稱的新發現，需以科學的態度在實踐中檢驗，在理論上發展完善。由于雷電本身是小概率事件，需要大量長期的統計分析才能得到有益的結果，這需要各方的通力合作才能實現。

參考文獻

［1］陳先祿，劉渝根，黃勇.接地［M］.重慶﹕重慶大學出版社，2002，7.

［2］虞昊.現代防雷技術基礎（第二版）［M］.北京﹕清華大學出版社，2005，2.

［3］陳先祿，劉渝根，黃勇.接地［M］.重慶﹕重慶大學出版社，2002，7.